呂麗華， 李 臻， 張多多

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題越來越受到重視，其中噪聲污染問題受到人們的廣泛關(guān)注。嚴(yán)重的噪聲污染不僅會(huì)干擾到人們的正常工作和生活，還會(huì)損害身體健康[1],因此，開發(fā)具備吸聲功能的材料來控制噪聲污染，對(duì)提高人們的生活質(zhì)量與保持身體健康具有重要意義。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)玉米秸稈收獲量可達(dá)到2.16億t，預(yù)計(jì)在下個(gè)五年玉米秸稈資源量將會(huì)超過2.5億t[3],但秸稈的利用率較低，未利用的秸稈占65%左右[4]。秸稈焚燒治理成為一個(gè)棘手的問題：一是秸稈焚燒對(duì)環(huán)境危害巨大，各種農(nóng)作物的秸稈在焚燒時(shí)都會(huì)排放二氧化碳、硫化氫、氮的氧化物等有害氣體到大氣中，并產(chǎn)生PM10、PM2.5等懸浮顆粒物，最終造成嚴(yán)重的霧霾，而且硫化物形成的酸雨、氮氧化物造成的光化學(xué)污染等會(huì)對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生威脅；二是秸稈焚燒對(duì)人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響，秸稈焚燒引起火災(zāi)、大氣能見度下降等問題給人們生產(chǎn)生活帶來了安全隱患，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來不利因素；三是秸稈焚燒后會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，給焚燒場(chǎng)所周圍的生態(tài)系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)[5]。

廢棄秸稈價(jià)格較低、來源廣泛、密度較小、具有良好的中空結(jié)構(gòu)，很適合做吸聲材料。利用廢棄秸稈制備吸聲性能良好的吸聲材料：一方面，解決了廢棄秸稈資源的浪費(fèi)，減輕環(huán)境污染的問題；另一方面，制備出吸聲系數(shù)高的吸聲材料可滿足建筑聲學(xué)等環(huán)境的要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，也符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。楊軍等[6]綜述了廢棄秸稈在復(fù)合材料上應(yīng)用的方法和途徑。肖力光等[7]在利用秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物制作新型復(fù)合節(jié)能墻體材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，在節(jié)能50%的前提下，材料還具有力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)熱系數(shù)低、回潮率低、防火等優(yōu)點(diǎn)，這驗(yàn)證了利用廢棄玉米秸稈制作建筑材料具有諸多優(yōu)勢(shì)。華亮等[8]使用稻草秸稈制備吸聲復(fù)合板材，其吸聲頻帶為1 000～4 000 Hz，且使用60 mm長(zhǎng)秸稈進(jìn)行20 min熱壓能夠增強(qiáng)稻草秸稈板吸聲性能，此時(shí)的板材密度為200 kg/m3，厚度為20 mm；這充分驗(yàn)證了秸稈作為增強(qiáng)體制備吸聲材料的可能性，但吸聲性能仍有進(jìn)步發(fā)展的空間，且吸聲機(jī)制需進(jìn)一步明晰。李長(zhǎng)偉等[9]將廢棄羊毛作為增強(qiáng)材料，將乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)作為基體材料，使用熱壓法制備得到了廢棄羊毛/EVA 吸聲復(fù)合材料，并研究了復(fù)合材料的吸聲機(jī)制。Lyu等[10]利用廢棄羽毛纖維和EVA，采用熱壓法制備了具有良好吸聲性能的羽毛纖維/EVA吸聲復(fù)合材料。Liu等[11]探討了楊絮纖維的結(jié)構(gòu)與其吸聲性能的關(guān)系。文獻(xiàn)[9-11]均表明，復(fù)合材料中的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合材料密度、復(fù)合材料厚度、后置空氣層厚度等因素均會(huì)對(duì)吸聲復(fù)合材料的吸聲性能產(chǎn)生影響。

綜合以上分析，本文以廢棄秸稈為增強(qiáng)材料，聚己內(nèi)酯為基體材料，采用單因素法從秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合材料密度、復(fù)合材料厚度、后置空氣層厚度等因素，探究吸聲復(fù)合材料吸聲性能的變化規(guī)律，并借助掃描電鏡分析揭示其吸聲機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

廢棄玉米秸稈顆粒，長(zhǎng)度為1.5 mm，連云港蘇銳秸稈加工廠；聚己內(nèi)酯，白色粉末，熔點(diǎn)為60 ℃，蘇威(SOLVAY)中國(guó)集團(tuán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

MP2000D型上海精科分析天平，常州市第一紡織設(shè)備有限公司；QLB-5OD/Q型平板硫化壓力成型機(jī)，江蘇無錫中凱橡塑機(jī)械有限公司；SW477/SW422型吸聲測(cè)試系統(tǒng)，北京聲望聲電技術(shù)有限公司；JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社。

1.3 復(fù)合材料的制備

將廢棄玉米秸稈顆粒和聚己內(nèi)酯粉末按照表1所示實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定質(zhì)量配比并混合均勻，放置于準(zhǔn)備好的模具中形成直徑分別為30、100 mm的預(yù)成型體;然后，將預(yù)成型體放入預(yù)熱好的平板硫化壓力成型機(jī)中，按照熱壓溫度為120 ℃、熱壓時(shí)間為20 min、壓力為10 MPa的條件進(jìn)行熱壓成型、冷壓定型后，脫模得到廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料。圖1示出廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的樣品照片。

表1 待優(yōu)化的復(fù)合材料工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of composite materials to be optimized

圖1 廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料Fig.1 Waste straw/polycaprolactone sound absorption composite

運(yùn)用單因素法按照秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合材料密度、復(fù)合材料厚度、后置空氣層厚度的順序依次探究不同工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料吸聲性能的影響。其中制備不同密度的復(fù)合材料時(shí)，使用同一規(guī)格模具(使所有復(fù)合材料的體積相同)，分別稱取4個(gè)質(zhì)量梯度(35、39、43、47 g)的混合物料放入模具中，得到密度為 0.450、0.500、0.550、0.600 g/cm3的復(fù)合材料試樣；設(shè)置不同厚度的后置空氣層時(shí)，將同一試樣固定于吸聲測(cè)試系統(tǒng)中，只改變阻抗管剛性后蓋板到復(fù)合材料背面的距離(即后置空氣層厚度)，從而來探究后置空氣層厚度分別為0.0、1.0、2.0、3.0 cm時(shí)復(fù)合材料吸聲性能的變化。

1．4 吸聲性能評(píng)價(jià)

本文采用傳遞函數(shù)法測(cè)試廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯復(fù)合材料的吸聲性能。按照GB/T 18696.2—2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分：傳遞函數(shù)法》和GB/T 18696.1—2004 《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第 1 部分: 駐波比法》，在吸聲測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試試樣的吸聲性能。所測(cè)頻率范圍為80～6 300 Hz，測(cè)試時(shí)大氣溫度為24 ℃，相對(duì)濕度為65%，聲速為345.6 m/s，空氣特征阻抗為409.78 Pa·s/m。

1.4.1 平均吸聲系數(shù)測(cè)試

平均吸聲系數(shù)(α)是指材料在聲波頻率為125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz條件下吸聲系數(shù)α125、α250、α500、α1 000、α2 000、α4 000的算術(shù)平均值，用以表示材料的基本吸聲性能。當(dāng)α>0.20時(shí)稱該材料為吸聲材料，使用吸聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試各聲波頻率下的吸聲系數(shù)，按照下式[12]計(jì)算平均吸聲系數(shù)：

1.4.2 降噪系數(shù)計(jì)算

降噪系數(shù)(NRC)是吸聲材料在商業(yè)流通時(shí)的標(biāo)稱參數(shù)，為250、500、1 000、2 000 Hz頻率下的吸聲系數(shù)α250、α500、α1 000、α2 000的算術(shù)平均。降噪系數(shù)的計(jì)算值取小數(shù)點(diǎn)后兩位，末位數(shù)取0或5，計(jì)算公式[13]為

1.4.3 吸聲性能等級(jí)評(píng)價(jià)

以降噪系數(shù)NRC為評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照GB/T 16731—1997《建筑吸聲產(chǎn)品的吸聲性能分級(jí)》對(duì)所制得樣品吸聲性能進(jìn)行評(píng)級(jí)，如表2所示。

表2 吸聲性能等級(jí)Tab.2 Sound absorption performance grade

1.4.4 表面形貌觀察

用膠水將樣品固定于樣品臺(tái)上，冷卻干燥后在掃描電子顯微鏡下，對(duì)廢棄玉米秸稈和廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料表面形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈顆粒的結(jié)構(gòu)與性能

玉米秸稈的物理形態(tài)包括2個(gè)部分，即秸稈皮和秸稈芯，二者具有不同特征。圖2示出廢棄秸稈不同部分形態(tài)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。

圖2 廢棄玉米秸稈的形態(tài)結(jié)構(gòu)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of morphological structure of waste corn straw.(a) Hollow structure of abandoned corn straw core (×200)；(b) Hollow structure of abandoned corn straw skin (×300)；(c) Microstructure of inner surface of abandoned corn straw skin (×600)；(d) Microstructure of outer surface of abandoned corn straw skin (×300)

由圖2(a)、(b)可看出：廢棄秸稈芯的中空結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不規(guī)則連通狀，聲波在其內(nèi)部成發(fā)散狀傳遞；秸稈皮中空結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)縱向線性的中空結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部存在橫節(jié)，在無破損的情況下聲波在其內(nèi)部沿縱向傳遞。二者孔洞之間的生物質(zhì)壁較薄，較易產(chǎn)生振動(dòng)、壓縮和膨脹，因此，廢棄秸稈可以很好地將聲能轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能，最終達(dá)到吸聲降噪效果。

由圖2(c)、(d)可知：廢棄秸稈皮內(nèi)表面布滿橫向溝槽和縱向豎紋，呈現(xiàn)棋盤格效果；外表面存在較為細(xì)密的縱向豎紋，比表面積較大，豎紋由中空管壁接合形成。二者均能將聲波引起的振動(dòng)向秸稈皮內(nèi)部空腔傳遞，對(duì)聲波產(chǎn)生衰減效果，因此，本文選擇廢棄秸稈顆粒作為增強(qiáng)材料，制備廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯復(fù)合材料。

2.2 秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料吸聲性能影響

當(dāng)復(fù)合材料密度為0.500 g/cm3，復(fù)合材料厚度為1.0 cm，后置空氣層厚度為0.0 cm時(shí)，秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響如圖3所示。

圖3 秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響Fig.3 Effect of straw mass fraction on sound absorption property of waste straw/polycaprolactone sound absorption composites. (a) Influence on sound absorption coefficient；(b) Influence on average sound absorption coefficient and noise reduction coefficient

由圖3(a)可知，在1 000 Hz以下的低頻區(qū)段，秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響程度不大，無明顯規(guī)律，而在1 000～6 300 Hz的中高頻區(qū)段中，不同秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料吸聲系數(shù)均遠(yuǎn)優(yōu)于低頻段。這是由于低頻聲波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，而吸聲材料或結(jié)構(gòu)與低頻聲波之間的相互作用較弱，造成復(fù)合材料的低頻吸聲性能較差[14]。

由圖3可知，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨著秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后升高。這是由于秸稈具有較大的中空結(jié)構(gòu)，且與聚己內(nèi)酯粉末存在密度差，即在相同質(zhì)量下秸稈體積大于聚己內(nèi)酯粉末。在復(fù)合材料的體積、密度均相同的情況下，當(dāng)復(fù)合材料中秸稈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，原料未成型時(shí)體積較小，成型后復(fù)合材料中的秸稈沒有受到過度擠壓，中空結(jié)構(gòu)得以保留，使復(fù)合材料中的有效孔隙率較高。當(dāng)復(fù)合材料中秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，在聚己內(nèi)酯仍占據(jù)復(fù)合材料較大體積的情況下，秸稈在成型過程中受到擠壓，中空結(jié)構(gòu)被破壞，復(fù)合材料內(nèi)部無法形成相互連通的孔隙，有效孔隙率降低，使復(fù)合材料的吸聲系數(shù)明顯下降。復(fù)合材料中秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，復(fù)合材料的主體會(huì)轉(zhuǎn)為秸稈，體積密度較大的聚己內(nèi)酯融化后作為基體，此時(shí)秸稈的有效孔隙率回升，因此，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)升高，吸聲性能變好，但秸稈含量過高也會(huì)使復(fù)合材料成型效果變差。綜合考慮，秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取30%為宜。

2.3 復(fù)合材料密度對(duì)復(fù)合材料吸聲性能影響

當(dāng)秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，材料厚度為1.0 cm，后置空氣層厚度為0.0 cm時(shí)，復(fù)合材料密度對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料密度對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響Fig.4 Effect of composite density on sound absorption property of waste straw/polycaprolactone sound absorption composites. (a) Influence on sound absorption coefficient；(b) Influence on average sound absorption coefficient and noise reduction coefficient

由圖4可知，當(dāng)復(fù)合材料密度增加時(shí)，其吸聲系數(shù)整體變低、吸聲性能變差，主要原因是密度影響了復(fù)合材料的有效孔隙率和孔隙連通率。

介質(zhì)的特性阻抗是固有常數(shù)，其值影響著聲音的傳播，在聲學(xué)中具有特殊的地位，計(jì)算公式[15]為

Z=ρc

式中：Z為介質(zhì)的特性阻抗，Pa·s/m；ρ為材料某一點(diǎn)的密度，kg/m3；c為聲速，m/s。

根據(jù)特性阻抗公式可知，特性阻抗的值會(huì)隨著復(fù)合材料密度的增加而增大；而當(dāng)復(fù)合材料的密度增加時(shí)，復(fù)合材料中秸稈顆粒的接觸面積和接合緊密程度也會(huì)在熱壓過程中不斷提升[16]，使復(fù)合材料內(nèi)部變得更加緊實(shí)，空隙中的空氣流阻變大。這二者的增大，使復(fù)合材料內(nèi)部空氣與纖維間的摩擦及其各自的振動(dòng)均減弱，從而減弱了復(fù)合材料對(duì)聲能的消耗，造成其吸聲性能降低；同時(shí)復(fù)合材料密度增大說明其單位體積內(nèi)的秸稈和聚己內(nèi)酯的含量增加，二者容易過度接合，使復(fù)合材料的表面孔隙通道減少，阻止聲波進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部傳播，反射聲波增多，透射聲波減小，造成復(fù)合材料的吸聲性能變差。綜合考慮，復(fù)合材料密度定為0.450 g/cm3。

2.4 復(fù)合材料厚度對(duì)吸聲性能影響

當(dāng)秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，密度為0.450 g/cm3，后置空氣層厚度為0.0 cm時(shí)，復(fù)合材料厚度對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料厚度對(duì)吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響Fig.5 Effect of composite thickness on sound absorption coefficient of sound absorption composites

由圖5可知，復(fù)合材料厚度對(duì)其吸聲性能的影響主要集中在中低頻段，其中在2 000 Hz以下的低頻段上，隨著復(fù)合材料厚度的增加，其吸聲性能明顯提升，但對(duì)復(fù)合材料的高頻吸聲效果影響不大。這是由于高頻聲波的波長(zhǎng)較短，在復(fù)合材料內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)加劇復(fù)合材料中空氣的振動(dòng)，增大聲波與纖維之間的摩擦，使更多的聲能被轉(zhuǎn)化成熱能而耗散;而低頻聲波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，更易穿透復(fù)合材料，聲損耗小，增加復(fù)合材料的厚度則相當(dāng)于增大復(fù)合材料的彈性，使復(fù)合材料的聲容增大，聲波在復(fù)合材料中傳播距離變長(zhǎng)，摩擦損耗增加，因此，復(fù)合材料的吸聲性能提高較明顯[17]。聲波垂直于復(fù)合材料的吸聲界面入射時(shí)，其吸聲系數(shù)的計(jì)算公式[18]為

式中:γ為材料與介質(zhì)的特性阻抗比；α0為吸收系數(shù)，L/(g·cm)；k為波數(shù)，cm-1；l為材料厚度，cm。

由吸聲系數(shù)計(jì)算公式可知，當(dāng)復(fù)合材料的厚度l=λ/4(λ為材料的波長(zhǎng))時(shí)，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值，此時(shí)的吸聲效果最好。與圖5所示的吸聲規(guī)律相符，即隨著復(fù)合材料厚度的增加，其吸聲系數(shù)曲線先上升后下降。這是由于在一定范圍內(nèi)，當(dāng)復(fù)合材料厚度增加時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙通道變得更長(zhǎng)，聲波的傳播途徑變長(zhǎng)，聲能消耗的整個(gè)動(dòng)程增加，聲能損耗累積更多；同時(shí)孔隙通道變長(zhǎng)，聲波與孔壁的碰撞時(shí)間和次數(shù)會(huì)有較大的增加，動(dòng)能損耗明顯增加，復(fù)合材料吸聲性能得到提升，如圖6孔隙變化示意圖所示。當(dāng)復(fù)合材料厚度過大時(shí)，會(huì)降低其內(nèi)部的空氣流阻，影響空氣在復(fù)合材料內(nèi)部的流動(dòng)，同時(shí)復(fù)合材料過厚還會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部的孔隙通道密閉，降低有效孔隙率，影響復(fù)合材料的吸聲性能[19]。

圖6 復(fù)合材料截面厚度改變前后的孔隙變化示意圖Fig.6 Pore variation of composite before(a)and after (b)cross-section pores thickness change

圖7示出平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)隨復(fù)合材料厚度的變化趨勢(shì)?？芍?，1.5、2.0、2.5 cm厚度的復(fù)合材料的平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)明顯優(yōu)于1.0 cm厚度的復(fù)合材料，且三者相差較小。綜合考慮，吸聲復(fù)合材料的厚度優(yōu)選1.5 cm。

圖7 復(fù)合材料厚度對(duì)平均吸聲系數(shù)與降噪系數(shù)的影響Fig.7 Effect of composite thickness on average sound absorption coefficient and noise reduction coefficient

2.5 后置空氣層厚度對(duì)復(fù)合材料吸聲性能影響

后置空氣層即指吸聲復(fù)合材料與剛性壁之間的空氣層，通過調(diào)整后置空氣層厚度，能夠使聲波穿過復(fù)合材料后的反射距離變長(zhǎng)，反射面積增大，有利于聲波能量的衰減。當(dāng)秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，復(fù)合材料密度為0.450 g/cm3，復(fù)合材料厚度為1.5 cm時(shí)，后置空氣層厚度對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲系數(shù)的影響如圖8所示。

圖8 后置空氣層厚度對(duì)廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料吸聲性能的影響Fig.8 Effect of air layer thickness on sound absorption property of waste straw/polycaprolactone sound absorption composite. (a) Influence on sound absorption coefficient；(b) Influence on average sound absorption coefficient and noise reduction coefficient

由圖8(a)可知，后置空氣層厚度對(duì)復(fù)合材料吸聲性能的影響規(guī)律與復(fù)合材料厚度對(duì)其吸聲性能的影響規(guī)律相似，對(duì)復(fù)合材料的低頻吸聲性能來說影響規(guī)律較為明顯。隨著后置空氣層厚度的遞增，復(fù)合材料在低頻區(qū)段吸聲系數(shù)的峰值依次向左移動(dòng)一定頻程；不同后置空氣層厚度對(duì)復(fù)合材料在高頻區(qū)段吸聲性能的影響較弱，其吸聲曲線基本重合；中頻區(qū)段在加入后置空氣層后復(fù)合材料的吸聲性能則明顯變差。造成這種情況的主要原因是后置空氣層的存在相當(dāng)于增加了復(fù)合材料的厚度，使得傳播距離更長(zhǎng)的低頻聲波在復(fù)合材料內(nèi)壁有充足的空間反復(fù)折射、反射，從而使復(fù)合材料正反兩面充分吸收低頻聲波能量，將更多的聲波轉(zhuǎn)化成熱能耗散，使復(fù)合材料的吸聲性能得到改善；對(duì)于高頻聲波由于其在復(fù)合材料內(nèi)部的傳播距離不足，后置空氣層的存在并不能產(chǎn)生較大的影響；而中頻聲波的能量與傳播距離均處于中間位置，由于復(fù)合材料/后置空氣層界面的聲阻抗差異大于復(fù)合材料/剛性壁界面的聲阻抗差異，使中頻聲波更多的以反射聲波的形式回到聲源桶而非繼續(xù)向復(fù)合材料內(nèi)部透射，從而造成了加入后置空氣層的復(fù)合材料的吸聲性能在中頻區(qū)段明顯下降。

由圖8(b)可知，后置空氣層的增加有利于復(fù)合材料平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)的提升，這與復(fù)合材料吸聲曲線的規(guī)律相吻合，因此選擇后置空氣層厚度為3.0 cm作為最佳因素。

綜上所述，經(jīng)單因素分析得到廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的最優(yōu)制備工藝參數(shù)為：秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，復(fù)合材料密度0.450 g/cm3，復(fù)合材料厚度1.5 cm，后置空氣層厚度3.0 cm。

2.6 最優(yōu)工藝樣品的吸聲性能分析

按照最優(yōu)工藝參數(shù)制備了廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料，其吸聲系數(shù)曲線如圖9所示?？芍簭U棄秸稈/聚己內(nèi)酯復(fù)合材料的吸聲系數(shù)α達(dá)到了0.50，說明該復(fù)合材料屬于吸聲材料；根據(jù)1.4.2中計(jì)算出降噪系數(shù)達(dá)到了0.50，該復(fù)合材料的吸聲性能等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

圖9 廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的吸聲系數(shù)曲線Fig.9 Sound absorption coefficient curve of waste straw/polycaprolactone sound absorption composite

由最優(yōu)工藝參數(shù)下吸聲復(fù)合材料的吸聲系數(shù)曲線可知，復(fù)合材料的低頻吸聲性能優(yōu)化程度顯著，這是由復(fù)合材料本身厚度和后置空氣層厚度的增加決定的。低頻聲波在復(fù)合材料內(nèi)部傳播距離變長(zhǎng)，較大的厚度在其傳播路徑上提供了有效的介質(zhì)，后置空氣層也為聲波在剛性壁和復(fù)合材料之間的反復(fù)折射、反射創(chuàng)造了條件。復(fù)合材料優(yōu)良的高頻吸聲性能則是由其本身的厚度和增強(qiáng)體質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定的，而這二者又決定了復(fù)合材料的有效孔隙率和孔隙連通率，復(fù)合材料的孔隙率及連通率高，使得高頻聲波能夠充分引起分子振動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換。在以后的研究中優(yōu)化復(fù)合材料的中頻性能可以利用的方式有：對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行穿孔，設(shè)置密度梯度等。這些方式能夠進(jìn)一步改善復(fù)合材料的物理結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到最佳吸聲性能。

3 吸聲機(jī)制分析

廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的掃描電鏡照片如圖10所示。

圖10 廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM images of waste straw/polycaprolactone sound absorption composite. (a) Surface(×60); (b) Surface (×300); (c) Cross section(×60); (d) Cross section (×300)

從圖10(a)較小放大倍數(shù)電鏡照片可觀察到復(fù)合材料表面存在較多連通的孔隙;而由圖10(b)可看出，復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙呈現(xiàn)出連通結(jié)構(gòu)，且在材料內(nèi)部形成一定程度的空腔。由圖10(c)、(d)和復(fù)合材料截面照片可看到，由于樣品切割，材料截面上的聚己內(nèi)酯產(chǎn)生剪切形變但仍然保留空腔，空腔內(nèi)壁由于秸稈的中空結(jié)構(gòu)能夠與其他空隙相連。圖10表明，在復(fù)合材料內(nèi)部及表面均存在大量分散的孔隙，且各孔隙間可形成連通結(jié)構(gòu)，有效提升了孔隙連通率。當(dāng)聲波垂直入射至廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的表面時(shí)，一部分聲波與復(fù)合材料外表面接觸后被反射出去，而剩下的聲波則沿著復(fù)合材料表面的孔隙透射進(jìn)入其內(nèi)部繼續(xù)傳播。在聲波傳播過程中，會(huì)與復(fù)合材料產(chǎn)生接觸，此時(shí)秸稈皮的特殊結(jié)構(gòu)能將聲波引起的振動(dòng)向秸稈皮內(nèi)部空腔傳遞，空腔中的空氣和材料各自產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)二者間還會(huì)產(chǎn)生摩擦；而由于空氣與復(fù)合材料之間存在摩擦力、黏滯阻力，使得孔隙中的空氣受到聲波影響后進(jìn)行壓縮，造成了復(fù)合材料溫度的升高，即復(fù)合材料將一部分入射聲波的能量轉(zhuǎn)化成熱能而消耗，從而減弱透射的聲波的能量，使聲波總能量降低，達(dá)到吸聲的目的。

基于廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料的掃描電鏡照片，以及不同工藝參數(shù)下復(fù)合材料的吸聲特性分析可知，該吸聲復(fù)合材料的吸聲機(jī)制主要為多孔吸聲機(jī)制。

4 結(jié) 論

以廢棄農(nóng)作物玉米秸稈和聚己內(nèi)酯為原料，通過熱壓法制備得到的廢棄秸稈/聚己內(nèi)酯吸聲復(fù)合材料在低、高頻均具有良好的吸聲性能，且吸聲頻帶寬。研究表明：復(fù)合材料的最大吸聲系數(shù)可達(dá)到0.71，平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)均可達(dá)到0.50，吸聲性能等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)。隨著秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)在頻率范圍1 000～6 300 Hz內(nèi)先降低后升高，但在1 000 Hz以下的低頻區(qū)段吸聲系數(shù)沒有明顯改變。適當(dāng)降低復(fù)合材料的密度，可提高其整體的吸聲性能;隨著復(fù)合材料厚度的增加，吸聲系數(shù)先上升后下降;后置空氣層厚度的增加使復(fù)合材料平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)均有所提升，且相對(duì)于增加復(fù)合材料的厚度，增加后置空氣層的厚度來改善復(fù)合材料的吸聲性能更符合實(shí)際生產(chǎn)的需要。最終確定的復(fù)合材料最佳吸聲工藝參數(shù)為：秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,復(fù)合材料密度0.450 g/cm3,復(fù)合材料厚度1.5 cm,后置空氣層厚度3.0 cm。復(fù)合材料的吸聲頻帶為100～6 300 Hz，其吸聲機(jī)制符合多孔材料的吸聲原理。